Vše o záchraně aerokrytů

Tento článek je průběžně aktualizován na základě nových informací. Snadno se k němu dostanete z hlavního menu (SpaceX > Znovupoužitelnost a přistávání > Vše o záchraně aerokrytů).

Poslední aktualizace: 12. 4. 2019
(seznam změn)

Uzavírání nákladu do aerodynamického krytu před misí Iridium-4 (Foto: Iridium)

Aerodynamický kryt je dvoudílná ochranná skořápka z hliníku a uhlíkových kompozitů tvořící špičku raket Falcon 9 a Falcon Heavy a jeho účelem je během startu chránit nesený náklad (obvykle nějakou družici) před akustickými a atmosférickými vlivy. Z fotek a videí rakety se to moc nezdá, ale kryt je ve skutečnosti obrovský – na výšku má skoro 14 metrů. Jeho výroba je vzhledem k použitým materiálům a velikosti časově i finančně náročná (SpaceX si kryty vyrábí samo a ve výsledku vyjde kryt pro jeden start na 5–6 milionů dolarů). Není se tedy co divit, že společnost by ráda kryty zachraňovala, aby je mohla použít opakovaně, podobně jako se jí to daří v případě prvních stupňů Falconu 9. Tento článek shrnuje všechny důležité informace o projektu záchrany aerodynamických krytů SpaceX.

Přeskočit na sekci:

Poznámka: Na textu se velkou měrou podíleli také Karel Zvoník a Pavel Vantuch. 

Princip záchrany krytů

SpaceX na začátku pravděpodobně zvažovalo různé metody záchrany krytů. Jeden z konceptů například počítal se zachytáváním krytů na padácích přímo ze vzduchu pomocí vrtulníků. Od toho však prý nakonec bylo upuštěno.

Údajný slajd s původním plánem záchrany krytů, který by využíval vrtulníky

Výsledná zvolená metoda je podobná, ale v závěrečné fázi kryt přistává v sítí umístěné na rychlé lodi. Kryty jsou vybaveny avionikou, dusíkovými tryskami a řiditelným padákem. Jak takový proces záchrany krytu vypadá?

  • Kryty se po oddělení od rakety stabilizují pomocí jednoduchých manévrovacích trysek, aby měly optimální polohu a nebyly poničeny při návratu do atmosféry.
  • Vzhledem k nízké hmotnosti a tvaru krytů (velká plocha, nízký balistický koeficient) nedochází k výraznému zahřívání a kryt se během průchodu atmosférou sám postupně zpomalí na únosnou rychlost.
  • V určité výšce dojde k rozevření padáku, který pomocí GPS a dalších senzorů kryt nasměruje na předem zvolené místo přistání. Samořiditelný padákový systém SpaceX dodává nebo dodávala společnost MMIST. Konkrétně by mohlo jít o produkt Sherpa.
  • Speciální loď s rozměrnou sítí se pak na místě přistání snaží vmanévrovat pod klesající kryt tak, aby dosedl do sítě. Posádka lodi je vybavena infrakamerou a radarem, takže zachycení je možné provádět i v noci.

Pro lepší představu přikládám fanouškovskou vizualizaci celého procesu:

Historie chytání krytů

Není jasné, kdy přesně firma začala pracovat na projektu záchrany krytů, ale fanoušci se o těchto snahách dozvěděli v červnu 2015. Elon Musk tehdy na Twitteru prohlásil, že nalezený kryt vyplavený na Bahamách firmě pomůže se znovupoužitelností krytů. Avšak první důkaz, že SpaceX na projektu skutečně pracuje, se objevil v březnu 2016. Na amatérských záběrech ze startu SES-9 bylo vidět, že kryty po oddělení od rakety používaly manévrovací trysky (viz video níže v časech 5:20 a 5:27). Elon Musk pak v červnu 2016 na Twitteru doplnil, že kryty budou časem disponovat také samořiditelnými padáky.

První výraznější zmínka o krytech pak přišla v únoru 2017 na tiskové konferenci u příležitosti prvního startu SpaceX z rampy LC-39A. Ředitelka Gwynne Shotwell zde potvrdila, že firma se opravdu pokusí zachránit aerodynamické kryty a odhadovala, že k nějakým hmatatelným výsledkům by mohlo dojít ještě v roce 2017.

První vážnější pokus o přistání krytu na padáku proběhl během mise SES-10 na konci března 2017. Elon Musk se na postartovní konferenci pochlubil, že kryt přistál do vody v jednom kuse a naznačil, že v budoucnu budou kryty přistávat na jakémsi „skákacím hradě“, aby se zabránilo kontaktu krytů s korozivní mořskou vodou.

Tento nemalý úspěch Muska nejspíš naplnil optimismem, neboť pár dní poté na Twitteru prohlašoval, že ke znovupoužití krytu dojde ještě v roce 2017. Na Instagramu také zveřejnil pěkné video zachycující zachráněný kryt z mise SES-10 před vstupem do atmosféry:

V roce 2017 pak proběhlo několik dalších zkušebních přistání krytů do moře a vypadalo to, že projekt pokračuje dobře. Elon Musk však v červnu 2017 na Twitteru prozradil, že společnost se potýká s problémy se samořiditelnými padáky. Zároveň ale odhadoval, že do konce roku se vše vyřeší.

Vylepšení krytu

Řešením nakonec bylo vyvinutí vylepšené verze krytu, kterou SpaceX od září 2017 testovalo v Ohiu, kde se nachází největší termální vakuová komora na světě. Tento upgradovaný kryt se neoficiálně nazývá „kryt 2.0“ a odbyl si premiéru při misi Paz v únoru 2018. Podle Elona Muska má mírně větší průměr, ale především je lépe uzpůsoben pro projekt záchrany krytů.

Porovnání staré (vlevo) a nové verze krytu (Zdroj: NASA Spaceflight)

Na konci roku 2018 pak přibyla také dodatečná tepelná ochrana na špičce krytu (poprvé na misi GPSIII-SV01). Upravená špička byla dobře vidět například během mise Arabsat 6A v dubnu 2019:

První pokusy o zachycení

SpaceX však během mise Paz netestovalo jen nový kryt. Na moře se vydala také speciální loď, o které jsme se poprvé dozvěděli v prosinci 2017. Od konceptu přistávání krytů na nafukovacím hradě totiž bylo nakonec upuštěno a SpaceX místo toho vybavilo velmi rychlou loď Mr. Steven kovovou konstrukcí a sítí, do které by mohly dosednout kryty klesající na padácích. Aerodynamický kryt nakonec při prvním pokusu loď minul o několik set metrů, ale ve vodě přistál v celku. Musk následně na Twitteru dodal, že s trochu většími padáky by mělo být přistání v síti možné, neboť kryt bude klesat pomaleji.

SpaceX pak v průběhu roku 2018 provedlo několik dalších pokusů o zachycení krytu do sítě, ale žádný nebyl úspěšný.

Při misi SSO-A v prosinci 2018 přistály obě poloviny krytu měkce do vody velice blízko lodi a byly velmi rychle vyloveny. Elon Musk následně uvedl, že kryty možná bude stačit vysušit, aby mohly být použity znovu. V dubnu 2019 pak při misi Arabsat 6A obě poloviny krytu také přistály do vody (Mr. Steven byl v té době mimo provoz, tak nebylo možné provést pokus o zachycení) a po jejich vylovení Elon Musk řekl, že kryty nejsou poškozené a že budou použity znovu při misi pro satelitní konstelaci Starlink. Má jít o vůbec první start s již použitými kryty, takže ty z mise SSO-A možná nakonec znovu nepoletí.

Mr. Steven obecně

Loď Mr. Steven v Port Canaveral ještě před úpravami (Foto: Julia Bergeron)

Mr. Steven je moderní civilní plavidlo, které bylo vyrobeno v roce 2014 jako HSC, tedy High Speed Craft („vysokorychlostní plavidlo“) společností Gulf Craft pro SeaTran Marine. Tyto lodě jsou specifické především svou rychlostí a použitím alternativních druhů lodních pohonů, jako jsou například vodní trysky. Loď Mr. Steven je pojmenována po otci ředitele společnosti SeaTran Marine a měla primárně sloužit pro převoz lodních posádek a materiálu na jiná plavidla nebo také na ropné plošiny.

Loď je vybavena zajímavým pohonem, na který se ještě později podíváme. Každopádně tento pohon je propojen s vodními děly v zadní části plavidla a Mr. Steven má díky tomu schopnost hasit požáry. Pohon však lze stejně dobře využít i jako velmi výkonné vodní čerpadlo. Hašení požáru může být celkem užitečná vlastnost, zvlášť pokud učíte přistávat části velké rakety zpět a zrovna se třeba netrefíte na plánované místo… To však není hlavní důvod, proč si právě tuto loď SpaceX vybrala do své flotily. Tím hlavním důvodem je především vysoká rychlost a výborná manévrovatelnost lodi.

Mr. Steven měří na délku 61 metrů a na šířku má 10 metrů. O pohon se starají 4 dieselové motory značky Caterpillar s typovým označením 3516C-HD, každý o výkonu 1920 kW při maximálních 1600 ot/min. Celkový výkon je 10 300 koňských sil. Tyto pohonné jednotky jsou situované na zádi plavidla v podpalubí. Za nimi už se nachází pouze propulzní část. Loď pod hladinou ale nemá schované klasické lodní šrouby ani kormidla, ale používá moderní proudový pohon neboli hydroreaktivní pohon. Mr. Steven je tedy v podstatě taková „raketa na vodě“. Loď obsahuje celkem čtyři vodní trysky od slavné společnosti Hamilton. Typové označení je Jet HT810.

Hamilton Jet HT1000 – obdobné vodní trysky používá i Mr. Steven (Foto: HamiltonJet)

Schéma pohonné jednotky HT810 (Úprava/popisky: Karel Zvoník)

Proudové propulzory jsou stále více využívané, protože mají oproti klasickým pohonům mnoho předností. Zde jsou některé zásadní výhody:

  • Téměř nulová rychlost otáčení, zajišťuje otočení na místě o 360°
  • Přesná kontrola ovládání ve všech rychlostech
  • Vysoká efektivita při prudkém zastavení
  • Při větším počtu instalovaných trysek je možný boční pohyb
  • Dokonalá manévrovatelnost při držení plavidla na místě
  • Pohon je při zvyšující se rychlosti více efektivní než klasické způsoby pohonu
  • Plavidlo lze zastavit v plné jízdě v relativně krátkém čase
  • Krom pohonu lodě lze propulzor využít i pro jiné účely, např. k vyčerpání vody z plavidla

Základní princip celého pohonu je celkem jednoduchý. Čerpadlo nasává trupem lodi vodu, kterou urychlí a vytlačuje zúženým profilem velkou rychlostí v zadní části trupu. Vzniklá síla tlačí loď logicky vpřed.

Směrem dále k přídi má Mr. Steven v podpalubí „schované“ tři agregáty na výrobu elektrické energie společnosti Caterpillar s označením C93 Tier 3. Každý o výkonu 250 kW. Ty, mimo jiné, dobíjejí výkonné baterie pro trojici dokormidlovacích zařízení společnosti Thrustmaster. Ty najdeme na přídi plavidla pod hladinou ponoru.

Schéma lodi Mr. Steven (Zdroj: SeaTran Marine)

Legenda:

  1. Vodní dělo
  2. Lodní můstek, nautické vybavení a prostory pro posádku
  3. Dokormidlovací zařízení Thrustmaster
  4. Pracovní prostor
  5. Vodní trysky Hamilton Jet HT810
  6. Hlavní pohonné jednotky Caterpillar 3516C-HD
  7. Elektrické generátory Caterpillar C93

Trup lodi Mr. Steven je vyroben z kvalitní slitiny hliníku. Tato vlastnost plavidlu zaručuje nižší konstrukční hmotnost. Prázdná hmotnost je u lodi Mr. Steven asi 400 tun. Mimo jiné má slitina hliníku vysokou odolnost proti korozi a plavidlo se snadněji dostává do skluzu. Kombinace všech těchto faktorů dovoluje plavidlu v poměru ke svým rozměrům dosahovat celkem vysokých rychlostí. Za příznivých podmínek je totiž Mr. Steven schopný pohybovat se až 60 km/h. To je na vodě již pořádná rychlost a navíc má výborné manévrovací schopnosti. Toto jsou ty pravé důvody, proč si SpaceX vybralo právě tento typ plavidla a nutno přiznat, že si nemohla vybrat lépe.

Parametry lodi Mr. Steven:

  • Maximální délka lodního tělesa: 61,57 m
  • Maximální šířka lodního tělesa: 10,36 m
  • Brutto rejstříková tonáž: 496 t
  • Čistá tonáž: 96 tun
  • Hlavní pohonná jednotka: 4x Caterpillar 3516C-HD, každý o výkonu 1920 kW (celkem 10 300 koní)
  • Elektrické generátory: 3x Caterpillar C93 Tier 3 – 250 kW
  • Dokormidlovací zařízení: 3x Thrustmaster, elektrické – každé 149 kW (200 koní)
  • Vodní trysky: 4x Hamilton Jet HT810
  • Kapacita: palivo – 237,3 m3, pitná voda 12,1 m3, posádka – nespecifikováno
  • Maximální rychlost prázdného plavidla: 32 uzlů (59,3 km/h)
  • Maximální rychlost plně naloženého plavidla: 23 uzlů (42,5 km/h)

Mr. Steven ve službách SpaceX

SpaceX začalo tuto loď pronajímat od firmy Guice Offshore na konci roku 2017. Plavidlo nejdříve strávilo relativně krátkou dobu v Port Canaveral, ale od začátku roku 2018 sloužil Mr. Steven na západním pobřeží v kalifornském přístavu San Pedro. Důvodem možná bylo, že na rok 2018 bylo z Kalifornie v plánu hodně startů Falconu 9 a navíc je přístav jen kousek od centrály SpaceX v Hawthorne, což usnadnilo průběžné provádění úprav lodi pro potřeby záchrany krytů.

Loď Mr. Steven vybavená sítí pro zachycení aerodynamického krytu před misí Paz v únoru 2018 (Foto: SpaceX)

Loď Mr. Steven za své působení ve firemní flotile prošla mnoha změnami. Vše začalo prvotní instalací čtyř ocelových ramen a sítě, pokračovalo výměnou sítě za pružnější typ, aby nakonec bylo vše odmontováno a nahrazeno delšími rameny a čtyřikrát větší sítí. K tomu došlo 12. července 2018 a nová síť by podle odhadů mohla mít plochu až 3600 metrů čtverečních, což je více jak čtyřnásobek plochy sítě původní. Pro porovnání, plocha autonomní přistávací plošiny, na které přistávají Falcony, je jen asi o 10 % větší a ta má rozměr 91 x 52 metrů. Výhodou větší sítě je kromě snížení potřebné přesnosti padákového přistání také to, že síť nyní zcela zakrývá řídící kabinu. Není tedy nutná dodatečná bariéra, která by chránila posádku, která se při přistání na lodi nachází.

Loď byla také vybavena druhou menší sítí, která slouží k vylovení krytů z vody a lze s ní pomocí lan manipulovat na obě strany lodi:

Koncem roku 2018 se pak objevily informace, že Mr. Steven se vrátí do floridského přístavu Port Canaveral, aby mohl asistovat při misích startujících z východního pobřeží. V roce 2019 už totiž z Kalifornie nebude startovat zdaleka tolik misí jako v předchozích letech. Dá se tedy očekávat, že Mr. Steven zůstane na východním pobřeží minimálně do doby, než SpaceX prokáže, že způsob chytání krytů do sítě má dostatečnou úspěšnost. Následně může firma pořídit druhou loď a rozhodnout, jestli Mr. Steven zůstane na východě, nebo se vrátí na západní pobřeží.

První příležitost k zachycení krytu po přesunu na východní pobřeží měla loď dostat 22. února během mise Nusantara Satu. Loď jako obvykle vyplula dva dny před startem směrem k vymezené oblasti vzdálené stovky kilometrů od pobřeží. Avšak téměř na konci své cesty do oblasti přistání krytu loď změnila směr plavby a neočekávaně vyrazila zpět do přístavu. Začalo se tedy diskutovat o možné příčině takového kroku. K pochopení situace však jednoznačně napomohl pohled na loď po jejím příjezdu zpět do přístavu, kam se vrátila bez sítě a pouze se dvěma ze čtyř původně instalovaných ramen. Nakonec i ta zbylá ramena technici demontovali, a tak je nyní loď kompletně „holá“. Zatím nevíme, co přesně se na moři stalo a jaký je rozsah škod, ale kromě ulomených ramen nejspíš došlo také k poškození jedné z radarových antén a nástupní lávky.

Zkušební shozy z vrtulníku

Elon Musk v březnu 2018 avizoval, že SpaceX chystá zkušební shozy krytů z vrtulníku, jejichž prostřednictvím by posádka lodi Mr. Steven nacvičila chytání krytu do sítě. Ke zkouškám mělo dojít „za pár týdnů”, ale nakonec proběhly až během podzimu 2018. Těchto zkušebních shozů proběhlo několik a jeden z nich probíhal následovně: Celá akce trvala půl hodiny a vrtulník Blackhawk při ní vyzvedl aerodynamický kryt z vlečného člunu a následně kryt shodil z výšky 3,5 km. Kryt poté klesal na řiditelném padáku a Mr. Steven se jej pokusil chytit do sítě.

Vrtulník Sikorsky UH60 Blackhawk (Foto: High Performance Helicopters Corporation)

Ani v těchto případech se však kryt zatím zachytit nepodařilo, i když to bylo velmi těsné, jak ukazují oficiální videa:

Přehled pokusů o záchranu krytů

Podrobný přehled jednotlivých pokusů o přistání či zachycení krytu při různých misích najdete na samostatné stránce.

Budoucnost

Úspěšnost této metody záchrany krytů bude možná vždycky relativně nízká, byť jen kvůli nevyzpypatelnosti větrů na moři, a tak se nabízí otázka, zda se celá věc SpaceX vůbec vyplatí. Uvedeme si tedy pár konkrétních čísel. Bez dlouhodobého kontraktu stojí pronájem lodi Mr. Steven podle odhadu NASA Spaceflight zhruba 7500 dolarů na den, tedy 2,7 milionů dolarů za rok. SpaceX však pravděpodobně má smlouvu o dlouhodobém pronájmu s majitelem lodi, takže ta cena ve finále může být dost jiná. Nicméně jednoduchými počty dojdeme k závěru, že záchranou jediné poloviny krytu, jejíž cena se pohybuje okolo 2–3 milionů dolarů, SpaceX pokryje náklady na pronájem lodi na celý rok. Celková úspěšnost tedy může být nízká (třeba jen 50 %), a přesto se to SpaceX vyplatí. Navíc, pokud se opravdu ukáže, že je možné opakovaně použít i kryty, které bez poškození přistály ve vodě a následně byly rychle vyloveny, nebude až tak důležitá úspěšnost přistání do sítě.

Mimochodem, kryt má dvě poloviny, ale SpaceX zpočátku zkoušelo přistávat jen s jednou polovinou (ta druhá vůbec nedisponovala padáky a tryskami). Cílem SpaceX ale samozřejmě je záchrana celého aerodynamického krytu. U vylepšených krytů 2.0 jsou proto padáky vybaveny už obě poloviny. Jak přesně ale chce společnost chytat obě poloviny najednou, zatím není jasné. Spekuluje se, že padák na jedné z polovin by se mohl otevírat o něco později. P

osádka lodi Mr. Steven by tak měla třeba 15 minut na odklizení první půlky krytu a přípravu sítě na zachycení té další. Nejsou však vyloučeny ani jiné možnosti, například použití druhého plavidla se sítí. Nicméně SpaceX bude nejspíš časem potřebovat více než jednu loď tak jako tak, aby bylo možné zachraňovat kryty při startech jak z Floridy, tak Kalifornie.

Články

Na ElonX najdete spoustu článků o aerodynamických krytech i lodi Mr. Steven.


Poslední aktualizace článku:

  • 12. 4. – Doplněny informace o záchraně a potenciálním znovupoužití krytů z mise Arabsat 6A + jsem přidal sekci o vylepšeních krytu
  • 2. 4. – Článek byl poprvé zveřejněn

Líbí se vám takovéto články? Chodíte na ElonX rádi a chtěli byste, aby web zůstal bez reklam a redakce mohla nadále vydávat kvalitní obsah? Vyjádřete svou podporu a spokojenost pomocí služby Patreon či jinak a zařaďte se tak po bok ostatních dobrodinců, kteří už web podpořili. Děkuji za přízeň!




  • Mohlo by se vám líbit...

    10
    Diskuze

    avatar
      Odebírat komentáře  
    nejnovější nejstarší nejlepší
    Nastavit upozorňování na
    Tom
    Host
    Tom

    Možná by nebylo na škodou uvádět všechny výkony v kW?

    Člověk bez nohou
    Host
    Člověk bez nohou

    V hezké, Petře. Začal jsem sledovat, kdo je autorem článků v rss a jiné než Vaše nečtu. Jen drobnost: ” se dvěmA ze čtyř původně instalovaných ramen”

    Pavel Vantuch
    Host
    Pavel Vantuch

    Za to „se dvěma…“ Petr nemůže, je to část mého textu.

    petr marek
    Host
    petr marek

    Dobrý večer. Chci se zeptat, proč je nutné zachytávat kryt tak, aby se nedostal do kontaktu s vodou? Na videích je vidět, že kryt po přistání na hladinu plave tak, že do něj voda nenateče a zvenku určitě kryt kontakt s mořskou vodou zvládne. Je to proto, že takto klidná hladina se v době startu nedá zaručit a případné vlny by kryt potopily, nebo alespoň namočily zevnitř?

    Přemek
    Host
    Přemek

    Jen mne fascinuje, proč při relativně přesné navigaci padáku krytu, tipuji že se strefí do cíle s odchylkou pár kilometrů, zatím SpaceX nezkusila zachycení pomocí helikoptéry.